（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器svpwm控制策略研究.pdf

s u b j e c t：s t r a t e g ys t u d yo ns v p w m m e t h o df o rt h r e e l e v e ll n v e r t e r s s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e n a m e：m ay i b o i n s t r u c t o r ：t o n gj u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 幽幺! i 墨芝 ( s i g na t ur e ) m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nh i g h - v o l t a g ea n dh i g h - p o w e ra p p l i c a t i o n f i e l d s a m o n gm a n yo fm o d u l m i o ns t r a t e g i e s ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nh a sb e e no n eo ft h e m o s tp o p u l a rr e s e a r c hp o i n t s t h em a i na d v a n t a g e so ft h es t r a t e g ya r et h ef o l l o w i n g ：i t p r o v i d e sl a r g e ru n d e rm o d u l m i o nr a n g ea n do f f e r ss i g n i f i c a n tf l e x i b i l i t yt oo p t i m i z es w i t c h i n g w a v e f o r m s ，i ti sw e l ls u i t e df o ri m p l e m e n t a t i o no nad i g i t a lc o m p u t e r , i th a sh i g h e rd c v o l t a g eu t i l i z a t i o nr a t i o i n i t i a l l y , s u m i n gu pt h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u so fm u l t i l e v e li n v e r t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t w o - l e v e li n v e r t e lt h r e e l e v e li n v e r t e ri ss t u d i e do na n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et h r e e l e v e li n v e r t e r st h r e ec a n o n i c a lt o p o l o g ys t r u c t u r ea r ec o m p r e h e n s i v e l yc o m p a r e d t h et h r e e l e v e li n v e r t e rw i t hd i o d e c l a m p e di si n t r o d u c e d ，w h i c hi sa n a l y s i s e d a b o u t a d v a n t a g e st ot h et w o l e v e li n v e r t e r i te m b o d y st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t r e s e a r c h s e c o n d l 5t h ep a p e ri sb a s e do nt h ef u n d a m e n t a lt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h r e e l e v e l n e u t r a l p o i n tc l a m p e di n v e r t e r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h r e e l e v e lp u l s e - w i d t h m o d u l a t i o ns p a c ev e c t o rc o n t r o l l e di n v e r t e ri se m p h a t i c a l l ya n a l y s i s e d ak i n do f s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o na l g o r i t h mb ys y n t h e s i z i n gt h en e a r e s tt h r e ev e c t o r st or e f e r e n c ev e c t o r i s p r e s e n t e d t h ej u d g r n e n tr u l e sf o rl a r g es e c t o ra n dt r i a n g l er e g i o ni sp r o p o s e da n dt h e c o r r e s p o n d i n go u t p u ts e q u e n c eo ft h es y n t h e s i sr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o ri sp u tf o r w a r d t h e f u n c t i o ns e q u e n c eo fs w i t c hv e c t o ri so p t i m i z e d i tm a k e sa l g o r i t h me a s yt ob er e a l i z e db y c o n t r o l i n gm i d d l ep o i n tv o l t a g e t h i r d l y , t h er e a s o nc a u s e dt h ei m b a l a n c eo fd cb u sc a p a c i t o r sv o l t a g eo ft h r e e l e v e l i n v e r t e ri sa n a l y z e d a n dt h ee f f e c to fn e u t r a l - p o i n tv o l t a g ei sa l s oa n a l y z e di np a p e r ，w h i c hi s c a u s e db yt h eb i gv e c t o r , t h em i d d l ev e c t o ra n dt h es m a l lv e c t o r t h ev e c t o r sa r ef o u n d ，w h i c h a r ea b l et oa f f e c tt h ef l u c t u a t i o no fn e u t r a l p o i n tv o l t a g e t h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a ti t c o u l dc o n t r o lt h ev o l t a g eo fn e u t r a l p o i n tb yu s i n gt i m ed i s t r i b u t i o no nt h ec o u p l e ds m a l l v e c t o r s a tl a s t ，t h es v p w mm o d u l a t i n gm e a n so ft h r e e - l e v e li n v e r t e r si ss i m u l a t e db y m a t l a b ，a n dt h ec o r r e c t i o no fm o d u l a t i n gm e a n si sp r o v e d k e yw o r d s ：t h r e e l e v e l i n v e r t e r s p a c ev o l t a g ev e c t o rp w mm i d p o i n tc o n t r o l m o d u l a t i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刁7 饽 日期：娜了饿，厂 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：召一博 指导教师签名： 寺每 刃8 年q - 月旷日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着我国国民经济几十年来的发展，电力能源已日益成为工业、农业、建筑业等行 业的必须能源，同时也是国民生活必不可少的一种消耗品。我国目前缺电现象十分严重， 是一个不容忽视、亟需解决的问题。2 0 0 2 年以来，“电荒”从我国的经济心脏长江三角洲 开始，迅速向珠江三角洲以及全国蔓延，2 0 0 2 年全国有1 2 个省( 市、自治区) 拉闸限 电，电力装机缺口达2 0 3 5 万千瓦；2 0 0 3 年又发展到全国2 2 个省市拉闸限电，电力缺口 上涨到4 4 8 5 万千瓦；到2 0 0 4 年上半年，全国已有2 4 个省市拉闸限电，就连广西、云 南、贵州、山西、内蒙古、甘肃、青海、宁夏等经济欠发达的西部地区也出现“电荒”。 虽然2 0 0 5 年这种形式得到了缓解，但“电荒”给我们带来的启示却值得深思川。 一方面，我国的经济发展迅猛，而电力的供应并没有超前发展，甚至落后于经济发 展的步伐。另一方面，我国目前的经济基本还处在粗放的发展模式，产业的配置不合理， 结构水平低。同样用1 亿千瓦装机能力实现的国内生产总值( g r o s sd o m e s t i cp r o d u c t ， g d p ) ，美国高达1 1 7 6 0 亿美元，在我国只有3 0 2 5 亿美元，两国每实现1 美元g d p 产 出的电耗相差四倍。因此国家大力提倡节能措施，并重点推荐了变频调速技术。 近年来，多电平逆变器( m u l t i l e v e rc o n v e r t e r ) 在中高压大功率场合的应用得到越来 越多的关注，各种电路拓扑结构及控制方法纷纷被提出和研究。多电平逆变器在国内外 已逐步进入实用阶段的多电平变换技术，尤其是国内市场需求旺盛。据调查，国内现行 装机的约4 亿千瓦电动机中，9 0 是交流电动机，其中7 0 应该实施调速运行。如果实 际可改造率占5 0 的话，国内应有1 2 6 亿千瓦电动机的变频调速需求，其中4 0 为在 轧钢、造纸、矿井提升、轮船推进器等传统工业和现代交通工具驱动中大量应用的中压 大容量电动机，是国民经济各行各业的主力机组。从目前所见到的相关资料中，中压大 功率变频器主要目的是为了实现节能，应用于电力、冶金等领域，此外在城市供水系统、 供气系统、石化、矿山等也有较大的潜在市场。随着人们节电意识的增强和国家厂、网 分离等改造的市场利益导向，潜在的市场需求必定转化为现实的市场需求，从而使中压 大功率变频器产品具有广阔的市场前景。 1 2 多电平逆变器的分类及特点 1 2 1 传统大功率逆变电路 ( 1 ) 普通三相逆变器 西安科技大学硕士学位论文 通常也称为两电平逆变器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率只能依靠器件 的串并联来实现，而串并联将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问 题。技术上的不确定因素影响大、可靠性不高，且由于输出有两个电平，电压波动大， 产生较大谐波。 ( 2 ) 降压一普通变频一升压电路 这种结构两侧均需要有大型变压器，特点是体积大、成本高，变频部分一般采用交 一直交结构，在输出频率较低的情况下，输出变压器的体积会很大，虽然控制较为简单， 但性能仍不够理想。 ( 3 ) 变压器耦合的多脉冲逆变器 为了获得高压，同时要减轻器件上的电压应力，并解决器件并联带来的问题，人们 利用升压变压器的特点，将逆变桥而不是单个元器件并联起来以获得大电流。典型的4 8 脉冲逆变器包括8 个6 脉冲逆变桥和8 个曲折变压器，通过改变这些变压器的匝数比或 联接方式耦合叠加出阶梯波，以减少谐波。但显然由于这些变压器的引入，使得系统成 本和损耗大大增加，占用空间增大，且由于瞬态过程中变压器磁饱和引起的直流磁化和 浪涌过电压问题导致控制上的困难。此外，由于逆变器通常以6 脉冲方式工作，使系统 动态响应性能较差。 ( 4 ) 交一交变频电路 普通两电平逆变器直流测电压通常由交流电整流获得，存在直流环节、变频效率不 高、主电路相对复杂等问题。而交一交直接变频电路可省去中间直流环节，因此装置体 积小、重量轻，一次功率变换控制效率高，开关功率大( 可达5 0 0 0 v 5 0 0 0 a ) ，适合于 大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术相当成熟，通过与现代交 流电机控制理论的数字化结合，具有较强的竞争力。但是也存在固有缺点：调速范围小、 功率因素低、谐波污染大。因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。 为了克服这些缺点，人们希望采用直接的高压变换方式，这就对变换器所用器件提 出了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力。通常的做法是采用多个低耐压值的 开关器件串联，这种方法在实现直接高压变换的同时又一定程度的降低了成本。但这种 方法存在着静态和动态均压问题，而均压电路会导致系统复杂，损耗增加，效率下降。 因此，一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降变压器，又无需均压电路 的“多电平变换器”应运而生。 1 2 2 新型多电平电压型逆变器 近年来，多电平逆变器在高压大功率场合的应用受到越来越多的关注，各种电路拓 扑结构及控制方法纷纷被提出和研究。所谓的多电平逆变器的桥臂上有4 个或更多的电 力半导体器件，它通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出 2 1 绪论 电压，可以使波形更加接近正弦波。多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，由于输 出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压 应力较小，且无需均压电路，开关损耗小，可避免大的d v d t 所导致的各种问题1 2 】。 自从日本长冈科技大学的南波江章( a n a b a e ) 等人于1 9 8 0 年在i e e e 工业应用 ( 队s ) 年会上提出三电平中点箝位式结构以来，多电平逆变器的拓扑结构主要发展出 三种电路【3 1 ，可以分为：二极管箝位式( d i o d ec l a m p e dt o p o l o g y ) ；飞跃电容箝位式( f l y i n g c a p a c i t o rc l a m p e dt o p o l o g y ) ；具有独立直流电源的级联多电平逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e r s w i t hs e p a r a t ed cs o u r c e s ) 。其中二极管箝位式多电平拓扑结构运用最广泛。它能有效地 提高换流系统的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中受到 了重视。 ( 1 ) 二极管箝位式【4 _ 1 1 5 j 图1 1 为二极管箝位式三电平逆变器的主电路原理图。其中见。，d 。：，见。，见：， d c 。，d c ：为箝位二极管，分压电容c 。= c ：，每个电容上的电压为u d 2 。二极管箝位式 三电平逆变器每一相桥臂4 个开关元件有3 种正常的开关模式，以i 相为例，z ，和z ，导 通时，i 相输出正电平；z ，和正。导通时，i 相输出负电平；z ：和z ，导通时，i 相输出零 电平，故称之为三电平逆变器。 若要得到更多电平数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为( n 1 ) ( n 2 ) 2 个，每( n 1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位，再根据与三电平类似的控 制方法进行控制即可。 二极管箝位式多电平逆变器的特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时器件在基频下工作，开关损耗小，效率高； 3 ) 可控制无功功率； 4 ) 背靠背连接系统控制简单。 缺点：1 1 需要大量的箝位二极管； 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致； 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 3 西安科技大学硕士学位论文 图1 1中点箝位式三电平逆变器图 ( 2 ) 飞跃电容筘位式【6 j 【7 l 图1 2 为一个三相全桥飞跨电容式三电平逆变器的主电路原理图。由图可见，这种 电路是利用飞跨在串联开关器件之间的串联电容进行箝位的。该电路对于相同的输出电 压可以由不同的开关状态组合得到。开关组合的可选择性，为这种电路用于有功功率变 换提供了可能性。但同时会带来控制上的复杂性和器件开关频率高于基频的问题。 与二极管箝位式电路类似，飞跨电容式三电平电路也可推广到n 电平，每相所需开 关器件2 ( n 1 ) 个，直流分压电容( n 1 ) ，箝位电容( n 1 ) ( n 2 ) 2 个。 飞跨电容式多电平逆变器的特点如下： 优点：1 ) 电平数量越来越多，输出电压谐波含量越少； 2 1 器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 可控制无功和有功功率，因而可用于高压直流输电； 4 ) 使用不同的开关组合，可使得电容电压平衡。 缺点：1 ) 需大量的箝位电容； 2 ) 用于有功功率传输时控制复杂，开关损耗大； 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 4 1 绪论 图1 2 飞跨电容式三电平逆变器主电路 ( 3 ) 具有独立直流电源的级联多电平逆变器【8 】【1 0 l 级联多电平逆变器的拓扑结构是将进行了相对位移复合两电平逆变器模型连接起 来，通过向量合成每个逆变器的输出电压形成输出多电平波形，合成方法分为非直接发 和直接发：非直接法通过一个电磁接口，通常为一个多绕组变压器；直接法是采用独立 的直流电源。 图1 3 为单相带独立直流电源的级联逆变器。每个独立直流电源和一个单相的全桥 逆变器相连，通过四个开关器件晒坶。的开关的组合，每个逆变器都可以产生3 个电 平的电压：+ ，一圪和o ，每个全桥逆变器的输出均串联在一起，从而合成了逆变器的 输出电压波形。在这个拓扑结构中，输出电压的电平数为n = 2 s + l ，其中s 为独立直流电 源的个数。很明显，这种电路不再需要前两种电路中大量的箝位二极管或箝位电容，但 需要多个独立电源，具体来说，对这种类型的n 电平单相电路，需要( n 1 ) 2 个独立电源， 2 ( n 1 ) 个主开关器件。另外，这种电路也存在类似飞跨电容电路的多开关状态组合的特 点。 级联式多电平逆变器的结构特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 不存在电容电压平衡问题。 缺点：1 ) 需要多个独立直流电源。当采用不控制整流得到这些直流电源时，为减小对 电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体积庞大， 成本高，设计困难。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 不易实现四象限运行。 图1 3 单相带独立直流电源的级联多电平逆变器主电路 6 1 绪论 以上三种主要拓扑结构各有优点和缺点，飞跨电容式虽然不需要筘位二极管，但是 该拓扑结构引入了大量的箝位电容，影响了系统的可靠性，造价高，而且抑制电容电位 漂移的冗余矢量选择也使得控制算法尤为复杂；类似的级联型逆变器引入了独立直流 源，造成逆变器本身不适合四象限运行；而二极管箝位式逆变器可以实现，因此得到了 高度重视。基于三电平逆变电路已经进入实用阶段，对其进行研究和分析是很有实际意 义的。一般认为多电平逆变电路是建立在三电平逆变器的基础上的，按照类似拓扑结构 拓展而成。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分 越少，但这种理论上可以达到任意多个电平的多电平逆变器，由于受到硬件条件和控制 复杂性的约束，通常在追求性能指标的前提下并不追求过高的电平，而以三电平最为实 际。 1 2 3 多电平逆变器的控制策略 多电平脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制技术是多电平逆变器研究的 核心技术。传统两电平逆变器的p w m 控制方案有许多种，当微处理器应用于p w m 数 字化以后，又不断涌现出新的p w m 技术。目前，常用的两电平p w m 算法有载波调制 法，优化目标函数调制法，电压空间矢量调制法( s p a c e v e c t o r p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ， s v p w m ) 等【1 1 1 。 这些p w m 控制思想也可以推广到多电平逆变器的控制中。但多电平逆变器的p w m 控制方法是与拓扑紧密联系的，不同的拓扑具有不同的特点，其性质要求也不相同。归 纳起来，多电平逆变器p w m 控制技术的主要控制目标为i l 2 j ： 1 ) 输出电压的控制，即逆变器输出的脉冲序列在伏秒意义上与参考电压波形等效； 2 ) 逆变器本身运行状态的控制，包括电容电压的平衡控制、输出谐波控制、所有 功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。 多电平逆变器p w m 控制方法主要有谐波消除法、优化目标函数法、载波调制法、 阶梯波脉宽调制以及电压空间矢量p w m 等。 ( 1 ) 多电平谐波p w m 法1 1 3 】1 1 4 j 该方法是两电平s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方法在多电平逆变器控 制中都能直接拓展，其载波通常为三角波，调制波为正弦波，根据载波和调制波的位置 和数量不同，该方法可分为两大类：基于多载波的多电平消除谐波p w m 法；基于 多调制波的多电平消谐波p w m 法。对于第一种方法每相使用一个正弦调制波与几个三 角波进行比较，按照普通s p w m 方法的原则，开通或关断相应的器件，实现多电平s p w m 波的输出。该方法可直接用于二极管箝位式多电平的控制，对其他类型的多电平结构也 适合。第二种方法则采用一个三角载波和多个正弦调制波进行比较。该方法一般用在h 桥级联式结构和电容箝位式结构。消谐波p w m 法载波间的相位有三种配置方案：所 7 西安科技大学硕士学位论丈 有载波同相位；正、负载波间相位相反；相邻载波间相位相反。对于s h p w m 调制 法，有以下特征：对于三相输出系统，频率比m ，应取3 的倍数；单相逆变器，采用相 邻载波相位相反配置电压谐波最小；三相逆变器采用所有载波同相位配置电压谐波最 小。多电平特定消谐波法中，求解特定开关点的时候要解非线性的超越方程，因此计算 很复杂，在逆变器控制中不利于数字化实现。 ( 2 ) 开关频率优化p w m 法【l 副 开关频率优化p w m 法是另一种三角载波p w m 方法，这种方法与特定谐波消除法 类似，对载波的要求相同，所不同的是s f o p w m 法的调制波是通常的三相j 下弦波分别 减去零序分量后得到的波形，该方法的优点是可以优化器件的开关频率，提高电压利用 率。 ( 3 ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 1 6 1 正弦脉宽调制( s p w m ) 其基本原理是使用几个三角波信号和一个参考信号( 每相) 比较，产生s p w m 信号。通过将三角载波进行合适的移相，可以实现选定次数谐波的 消除，该方法具有简单、直观等优点，此外，由于输出波形由方波改进为p w m 波，减 少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损 耗和噪声。其缺点是功率管的开关频率高，开关损耗大，装置效率低。 ( 4 ) 阶梯波调制 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是一种非常直观的方法。在阶梯波调制中， 可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现对低次谐波的消除和抑制。这种方法 对功率器件的开关频率要求不高，因此可以采用低开关频率的大功率器件，控制简单， 易于硬件实现，开关损耗小，转换频率高。缺点是由于开关频率比较低，输出电压谐波 含量较高，波形质量差，不适用于对电压质量要求较高的场合。 ( 5 ) 电压空间矢量脉宽调匍j ( s v p w m ) 电压空间矢量调制起源于电机的控制，进而发展产生了电压空间矢量的概念。根据 使用电压空间矢量方式的不同，电压空间矢量p w m 法可以分为最近矢量法和比较判断 式电压空间矢量法两类。由于最近矢量法模型简单、实现方便，得到了较为广泛的应用。 电压空间矢量调制算法的基本原理是利用与参考电压最接近的3 个开关矢量组合，并控 制其作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相同。应用于多 电平逆变器时，所用的开关矢量更密集，控制更精确，输出电压更接近正弦波。但是对 于多电平逆变器，关键问题要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之 内，还要考虑矢量选择对中点电位的影响，同一种电压输出有不同的开关模式，不同的 开关状态的组合对箝位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的 开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。这就是优 化电压空间矢量的基本原理。 8 1 绪论 作为一种较为优越和广泛应用的多电平p w m 方法，s v p w m 法特点有： 1 ) 调制比范围大，能得到更好的电压输出； 2 ) 易于数字实现； 3 1 母线电压利用率高等。 但是该方法有一个很大的缺陷，当应用与五电平以上的电路时，其控制算法会变的 非常复杂，因此对于五电平以上的多电平电路，采用级联型的主电路结构和三角载波 p w m 的控制方法也是一种较为可行的方案。 1 2 4 多电平逆变器的研究现状 目前，在对多电平逆变器的研究中，关于二极管箝位式三电平逆变器的内容较多， 无论采用何种调制方法都比较容易实现，并且对直流环节电容电压的控制也不复杂【1 7 j 。 p w m 算法决定了多电平逆变器的运行性能。目前，常用的p w m 算法有正弦p w m 调制( s p w m ) 、选择谐波消除p w m 调制( s h e p w m ) 、电压空间矢量p w m 调制 ( s v p w m ) 。 在多电平逆变器控制中有一个问题必须引起重视，即中点电压平衡问题，由于电路 结构的原因，在二极管箝位式和飞跨电容式电路中都存在由于直流分压电容充放电不均 衡造成的电容电压不平衡问题。电容电压的增减取决于开关模式的选择、负载的电流方 向、脉冲持续时间及所选的电容。电容电压不平衡会引起输出电压波形的畸变，必须加 以抑制。在三电平逆变器中，对于直流环节电容电压的控制方法比较简单，最普通的方 法就是根据当前中点电位的偏移方向，选择不同的开关状态，控制电容电流的方向，从 而使电容电压趋于基准值。 功率器件存在开关延迟，同一桥臂会出现直流现象。为了防止桥臂直通造成器件损 坏，必须在同一桥臂互补的触发信号中加入死区。在死区时间内会造成输出电压的畸变。 在三电平逆变器中，可以根据死区状态及桥臂内电流流向，分别确定补偿方式，再综合 比较得出统一的补偿方法。 1 2 5 多电平逆变器的应用领域 多电平逆变器在灵活交流输电和用户电力技术方面有广阔的应用【1 8 j 。现在的各种应 用中主要分为三类：交直流能量转换、高压大电机变频调速、电能质量综合治理。在交 直流能量转换上，与传统的两电平电路相比，其控制方式灵活，输出电压的相位和幅值 易于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低，因此在清洁能源的利用上可以起到重要 的作用【1 9 】。 高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的另一个重要领域。可以克服两电平变频 器的高器件应力和高d v d t 等问题。而将多电平逆变器用于高压变频器领域，不但可以 9 西安科技大学硕士学位论文 扩展原有两电平逆变器的电压等级，更主要的是减少了变频器出口端的谐波含量。 多电平逆变器在电能质量治理上也有着广泛的应用。随着大量电力电子装置的普及 使用，电网受到日益严重的谐波污染，而无功补偿装置和有源滤波装置也向着高压大容 量方向发展，多电平逆变器将有着广阔的应用前景。 1 3 本课题研究的目的和内容 三电平逆变器是目前大容量、中高压电机调速的主要实现方式之一，与传统的两电 平逆变器相比，主要优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。同时，由于其逆变状 态比传统两电平多若干倍，加之前端三线整流所带来的中点电压浮动，使波形算法的复 杂程度也随之剧增。电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 方式本质上是依赖于开关矢量 的选择以及开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降低开关频率，减少了交流 侧电流的总谐波畸变率，提高了母线电压利用率，目前三电平变换器采用s v p w m 控制 方式。因此本文选用二极管筘位型三电平逆变器作为主要的研究对象。 本文研究的目的： 提出一种既能控制中点电位，又能解决三电平逆变器空间电压矢量在各区域内的 p w m 算法，实现在过调制区域内提高电压利用率的s v p w m 算法。 本文的主要内容如下： ( 1 ) 对三电平变频器的发展前景进行了综述，研究了三电平逆变器的工作原理，详 细分析了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构及控制要求； ( 2 ) 研究了基于两电平空间电压矢量控制技术的基本原理，并对其算法进行推导； ( 3 ) 重点分析了三电平逆变器空间电压矢量控制技术的基本原理，并对其算法公式 进行详细推导，然后对开关矢量采取了有利于中点电压控制的优化，结合中点电位控制 确定开关矢量的作用顺序，并通过仿真实验证明其可行性； ( 4 ) 对三电平逆变器中存在的中性点电压不平衡问题进行研究，深入分析造成电压 不平衡的原因，并在其基础上提出了如何抑制电压不平衡的方法； ( 5 ) 通过仿真验证了三电平s v p w m 调制算法和基于该算法平衡中点电位的有效 性，并与两电平s v p w m 调制算法的仿真进行了比较，进一步证明了三电平s v p w m 调 制算法在谐波抑制和较小器件开关损耗方面的优越性。 1 0 2 两电平逆变器及其控制 2 两电平逆变器及其控制 三电平s v p w m 逆变器与两电平s v p w m 逆变器在s v p w m 调制的原理上是一致 的，但由于三电平逆变器需控制的矢量比两电平的多得多，所以算法也复杂得多。三电 平逆变器s v p w m 算法主要包括参考矢量所在扇区的判断及工作模式判断，开关矢量的 选择优化，开关矢量作用时间计算，及所选矢量作用顺序的确定。因此，本章首先介绍 两电平空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 的基本原理。然后进行分析与推导，从而引 出两电平空间电压矢量脉宽调制的算法。 2 1 两电平逆变器的工作原理 n u 图2 1 两电平逆变器的主电路拓扑结构 根据电压空间矢量的定义，当电动机端电压为两相对称的正弦波电压时，其合成电 压空间矢量端点轨迹是一个与电压幅值有关的圆。s v p w m 技术就是从这个角度出发， 以该圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际电压空间矢量去合成一个理想的 等效圆( 也称磁链圆) ，形成s v p w m 波形。 传统的两电平逆变器主电路如图2 1 所示，可看出，逆变器共有三个桥臂，每相桥 臂有2 个开关元件和2 个续流二极管。各相都有相同的两种正常的开关模式，以a 相为 例：当t 1 导通，t 4 关断时，输出点a 接通p ，a 相输出正电平；当t 4 导通，t 1 关断 时，输出点a 接通0 ，a 相输出负电平，所以称之为两电平逆变器。因此，逆变器输出 端点a 电压波形是两电平的阶梯波。b ，c 相端点到0 点的电压波形同样是两电平的阶 梯波。另外，该电路每相桥臂上的两个开关器件的驱动信号应满足互补条件，并留有死 区。 西安科技大学硕士学位论文 2 2 两电平空间电压矢量p w m 的基本原理 图2 1 是两电平三相桥式逆变器的主电路拓扑图。图2 2 是两电平三相逆变器的电 压空间矢量图。 设三相交流系统各相电压为： 一删似) = u dc o s ( g o t ) 甜删协) = u dc o s ( c o 一1 2 0 。) ( 2 1 ) 【甜洲似) = c o s ( c o t 一2 4 0 。) 式中：u a 为相电压的基波幅值r u d = 2 u d 3 ，角频率缈= 2 n f ，f 为基波电压频率。 式( 2 1 ) 的三个相电压瞬时值可以用图2 2 中的一个以角速度缈= 2 n y 在空间旋转 的电压矢i u ( u = u d + j u q ) 在a 、b 、c 各相轴线上的投影表示，u 以角速度缈逆时 针方向旋转。 即 欠 f 、 k 六庞一 蚁y 7 l 图2 2 两电平空i 司电压矢量图图2 3 状态5 的电路 在任意帆孑的相位胁因为舷麓窭 则 u a n 似) = u dc o s 沏) = u c o s ( c o t ) = u d “删( 埘) = u dc o s ( c o t 一1 2 0 。) = u c o s ( c o t 一1 2 0 0 ) = 一1 2 u d + 、i f 3 2 u 口 u c n ( g o t ) = u dc o s ( c o t 一2 4 0 。) = uc o s ( c o t 一2 4 0 0 ) = 一1 2 u d 一4 3 2 u 口 1 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 两电平逆变器及其控制 i1 1 = i 一一 l 2 l 1 i 一一 i2 0 压 2 压 2 又因为甜删+ 甜删+ 甜c = 0 ，故由( 2 5 ) 式又可以得到 k 2 蚓2 了 1一!一1 22 o 鱼一鱼 22 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 公式( 2 5 ) 是两相d 、q 变量变成三相a 、b 、c 变量的变换式，而公式( 2 6 ) 则 是三相a 、b 、c 变量变成两相d 、q 变量的变换式。 图2 1 中三相桥式逆变器由a 、b 、c 三相桥臂组成，图中定义p 点电位为u d ，q 点电位为o ，每一个桥臂的上下两个开关器件的驱动信号都是互补的。当t l 导通，t 4 截止时，u 。o = u d ；当t 4 导通，t l 截止时，u 。d = 0 。如果引入a 、b 、c 桥臂的开关 变量s 。，s b ，s 。，定义s 。= u d u d ，s 6 = u 且o u d ，s 。= u c d u d ，则： u 4 d = s 。u d ，当t l 导通，t 4 截止时s 。= l ，这时u 加= s 。u d = u d ； u b o = s b u d ， u c o = s c u d ， 当t 4 导通，t l 截止时s 。- - 0 ，这时u 加= s 。u d = 0 ； 当t 3 导通，t 6 截止时s b = 1 ，这时u 即= s b u d = u d ； 当t 6 导通，t 3 截止时s b = 0 ，这时u 肋= s b u d = 0 ； 当t 5 导通，t 2 截止时s 。= 1 ，这时u c o = s 。u d = u d ； 当t 2 导通，t s 截止时s 。= o ，这时u c d = s 。u d = 0 ； 于是，每个桥臂输出端的电压可用各桥臂的开关变量和电源电压u d 的乘积表示， 整个三相逆变器的输出电压则由a 、b 、c 三相桥臂的开关变量s 。，s b ，s 。共同组合确 定，用( s 。s b s 。) 表示三相逆变器的开关状态，由于s 。，s b ，s 。各有两种状态：o 或1 ， 因此整个三相逆变器共有2 3 = 8 种状态，即( s a s b s 。) 为o ( o o o ) ，l ( 0 0 1 ) ，2 ( 0 1 0 ) ，3 ( 0 1 1 ) ，4 ( 1 0 0 ) ，5 ( 1 0 1 ) ，6 ( 11 0 ) ，7 ( 1 1 1 ) 八种开关状态。把以上八种开关状态 分别称为状态0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，每种开关状态对应一组确定的a 、b 、c 各相 电压和线电压瞬时值。例如，当处于状态5 的时候，( s a s b s 。) = ( 1 0 1 ) 时，s a - - 1 表示 a 桥臂上管t 1 导通，s b = 0 表示b 桥臂下管t 6 导通，s 。= l 表示c 桥臂上管t 5 导通， 此时的等值电路如图2 3 所示，因此“。日= u d ，甜舱= 一u d ，“r 。= 0 ，相电压 u a n = u c r = u d 3 ，甜删= - 2 u d 3 。其他七种开关状态时的等值电路、线电压、相电压 瞬时值可同样求得，表2 1 示出八种开关状态时的线电压、相电压。 1 3 1j 肼 跗 叫 一 一 1j 刖 删 叫 一 一 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 开关状态及输出电压 在以上八种开关状态中，o ( o o o ) 和7 ( 1 1 1 ) 两种开关状态为下管t 4 、t 6 、t 2 同时导通 和上管t l 、t 3 、t 5 同时导通，在这两种开关状态时三相逆变器的输出电压全为零，称之 为零态，其他6 种称之为非零态。根据开关变量的定义，有 则 将式( 2 8 ) 整理得： 故有 图2 1 中负载相电压 - u 爿 l 酬2 一“肋= ( s 。一s 6 ) u d 一“c d = ( s b s 。渺d 一“一o = ( s 。一s 。) u d r1 u d l0 l 一1 1 4 = 0 r2 拂： l ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) u u u 舅研盛 = = = 桕 肋 ” 甜 甜 d 口 d咿缈缈 = = = 肚 盯 “ 甜 “ “ ， 1，j 醣魏砖 。l1j 0 1 l - 1 o 1j 加 肥 翻 甜 “ l 仙 盯 翻 彬彬彬删 = = = + 腓 叫 州 删 甜 甜 甜 甜 一 一 一 + 川 跗 叫 川 甜 “ 甜 “ ，、 & 魏& =iiii业 _l o o 2ll o 2 o 仰 盯 d “ 丌i i i i i 儿 一0 o 1一 ，lo 0 1 3 2 两电平逆变器及其控制 由图2 1 可见，当s a = l ，t l 导通时，a 相电流f 爿由直流正电源电流如提供，s a = 0 ， 当t 4 导通时，f d 不提供a 相电流，因此逆变器输入直流电流如可以表达为 如= s 。+ 既+ s 。t ( 2 1 1 ) 三相逆变器具有六种非零开关状态。由图2 4 可知，状态4 ( 10 0 ) ，s a - - 1 ，s b = 0 ， s 。= o ，相当于空间电压矢量u 处于c o t = 0 的位置，即u 位于a 相轴线上，如果 阼弛叱 这时 “删：u d ：詈u 。，“删= u c n ：一丢u 。 这正好是三相正弦交流相电压在c o t = 0 时的瞬时值。 同理，当开关状态为6 ( 1 1 0 ) 、2 ( 0 1 0 ) 、3 ( 0 1 1 ) 、1 ( 0 0 1 ) 、5 ( 1 0 1 ) 时f i t ( 2 1 0 ) 式所得到的 各相电压的数值正好是( 2 1 ) 式所示的三相正弦交流电压在c o t = 6 0 。、1 2 0 。、1 8 0 。、2 4 0 。、 3 0 0 。时的瞬时值，因此三相逆变器处于六种开关状态：4 ( 1 0 0 ) 、6 ( 1 1 0 ) 、2 ( 0 1 0 ) 、3 ( 0 1 1 ) 、 i ( 0 0 1 ) p 以及5 ( 1 0 1 ) 时，等效于图2 4 中的六个电压矢量u 4 、砜、u